LVS是什么？LVS的四種模式與十種調(diào)度算法介紹

LVS是什么？

LVS是基于4層的負載均衡技術(shù)，它是Linux內(nèi)核的一個模塊。

LVS的四種模式：

1）NAT模式

客戶端訪問LVS時，LVS通過重寫請求報文的目標地址，且根據(jù)預(yù)設(shè)的調(diào)度算法，將請求分派給后端真實服務(wù)器，真實服務(wù)器接收到請求處理后，發(fā)出響應(yīng)報文也需要通過LVS返回，返回時需要修改報文的源地址，然后返回給客戶，完成整個負載調(diào)度過程。

NAT 模式就是使用 SNAT（目標地址轉(zhuǎn)換，改變的是目標地址） 和 DNAT（源地址轉(zhuǎn)換，改變的是源地址） 技術(shù)完成報的轉(zhuǎn)發(fā)，NAT 方式可支持任何的操作系統(tǒng)，以及私有網(wǎng)絡(luò)，并且只需一個 Internet IP 地址，非常節(jié)省成本，但是整個系統(tǒng)的性能受到限制。

因為執(zhí)行 NAT 每次需要重寫數(shù)據(jù)包，有一定的延遲，另外，大部分應(yīng)用有 80%的數(shù)據(jù)是從服務(wù)器流向客戶機，也就是用戶的請求非常短，而服務(wù)器的回應(yīng)非常大，對LVS形成很大壓力，容易成為瓶頸。



2）IP TUN模式

IP TUN（IP Tunneling 即 IP隧道）當 LVS 分配請求到不同的 real server，real server 處理請求后直接回應(yīng)給用戶，這樣 LVS 僅處理客戶機與服務(wù)器的一半連接。IP TUN 技術(shù)極大地提高了 LVS 的調(diào)度處理能力，同時也極大地提高了系統(tǒng)能容納的最大節(jié)點數(shù)，可以超過 100 個節(jié)點。

real server 可以在任何 LAN 或 WAN 上運行，這意味著允許地理上的分布，這在災(zāi)難恢復中有重要意義。但此模式要求所有服務(wù)器必須支持 IP 隧道協(xié)議，因此只能在 linux 下使用，在 windows 無法使用此模式下，關(guān)鍵步驟：LB會重新封裝從客戶端發(fā)來的包，封裝后的包目標IP為其中一個Real Server。



3）DR模式

DR（即 Direct Routing 直接路由）與 IP TUN 類似，負載均衡器僅處理一半的連接，避免了新的性能瓶頸，同樣增加了系統(tǒng)的可伸縮性，DR 與 IP TUN 相比，沒有 IP 封裝的開銷，但由于采用物理層（修改 MAC地址）技術(shù)，所有服務(wù)器都必須在同一個局域網(wǎng) DR 與 IP TUN 相比，沒有 IP 封裝的開銷，但由于采用數(shù)據(jù)鏈路層（修改 MAC地址）技術(shù)，所有服務(wù)器都必須在一個物理網(wǎng)段。

此模式下，關(guān)鍵步驟：LB會修改從客戶端發(fā)過來的包里的MAC地址，將MAC地址修改為其中某一個Real Server的mac地址。



4）FULL NAT模式

這種模式為NAT模式的升級版。 傳統(tǒng)的NAT模式，LB和RS必須在同一個VLAN下，否則LB無法作為RS的網(wǎng)關(guān)。 這引發(fā)的兩個問題是：

同一個 VLAN的限制導致運維不方便，跨VLAN的RS無法接入。

當RS橫向擴容時，總有一天其上的單點LB會成為瓶頸。

Full-NAT解決的是LB和RS跨VLAN的問題，而跨VLAN問題解決后，LB和RS不再存在VLAN上的從屬關(guān)系，可以做到多個LB對應(yīng)多個RS，解決水平擴容的問題。 Full-NAT相比NAT的主要改進是，在SNAT/DNAT的基礎(chǔ)上，加上另一種轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程如下：

在包從LB轉(zhuǎn)到 RS 的過程中，源地址從客戶端IP被替換成了LVS 的內(nèi)網(wǎng)IP。內(nèi)網(wǎng)IP之間可以通過多個交換機跨VLAN通信。

當RS處理完接收到的包，返回時，會將這個包返回給LB的內(nèi)網(wǎng)IP，這一步也不受限于 VLAN。

LB收到包后，在NAT模式修改源地址的基礎(chǔ)上，再把RS發(fā)來的包中的目標地址從LB內(nèi)網(wǎng)IP改為客戶端的 IP。

Full-NAT主要的思想是把網(wǎng)關(guān)和其下機器的通信，改為了普通的網(wǎng)絡(luò)通信，從而解決了跨VLAN 的問題。采用這種方式，LB和RS的部署在VLAN上將不再有任何限制，大大提高了運維部署的便利性。

LVS的十種調(diào)度算法：

LVS的調(diào)度算法分為靜態(tài)與動態(tài)兩類。

1）靜態(tài)算法（4種）：只根據(jù)算法進行調(diào)度 而不考慮后端服務(wù)器的實際連接情況和負載情況

① RR：輪詢調(diào)度（Round Robin） 調(diào)度器通過”輪詢”調(diào)度算法將外部請求按順序輪流分配到集群中的真實服務(wù)器上，它均等地對待每一臺服務(wù)器，而不管服務(wù)器上實際的連接數(shù)和系統(tǒng)負載?

② WRR：加權(quán)輪詢（Weight RR） 調(diào)度器通過“加權(quán)輪叫”調(diào)度算法根據(jù)真實服務(wù)器的不同處理能力來調(diào)度訪問請求。這樣可以保證處理能力強的服務(wù)器處理更多的訪問流量。調(diào)度器可以自動問詢真實服務(wù)器的負載情況,并動態(tài)地調(diào)整其權(quán)值。

③ DH：目標地址hash（Destination Hash ） 根據(jù)請求的目標IP地址，作為散列鍵(HashKey)從靜態(tài)分配的散列表找出對應(yīng)的服務(wù)器，若該服務(wù)器是可用的且未超載，將請求發(fā)送到該服務(wù)器，否則返回空。

④ SH：源地址 hash（Source Hash） 根據(jù)請求的源IP地址，作為散列鍵(HashKey)從靜態(tài)分配的散列表找出對應(yīng)的服務(wù)器，若該服務(wù)器是可用的且未超載，將請求發(fā)送到該服務(wù)器，否則返回空?

2）動態(tài)算法（6種）：前端的調(diào)度器會根據(jù)后端真實服務(wù)器的實際連接情況來分配請求

① LC：最少鏈接（Least Connections） 動態(tài)地將網(wǎng)絡(luò)請求調(diào)度到已建立的鏈接數(shù)最少的服務(wù)器上。如果集群系統(tǒng)的真實服務(wù)器具有相近的系統(tǒng)性能，采用”最小連接”調(diào)度算法可以較好地均衡負載。

② WLC：加權(quán)最少連接(默認采用的就是這種)（Weighted Least Connections） 在集群系統(tǒng)中的服務(wù)器性能差異較大的情況下，調(diào)度器采用“加權(quán)最少鏈接”調(diào)度算法優(yōu)化負載均衡性能，具有較高權(quán)值的服務(wù)器將承受較大比例的活動連接負載?調(diào)度器可以自動問詢真實服務(wù)器的負載情況,并動態(tài)地調(diào)整其權(quán)值。

③ SED：最短延遲調(diào)度（Shortest Expected Delay ） 在WLC基礎(chǔ)上改進，Overhead = （ACTIVE+1）*256/加權(quán)，不再考慮非活動狀態(tài)，把當前處于活動狀態(tài)的數(shù)目+1來實現(xiàn)，數(shù)目最小的，接受下次請求，+1的目的是為了考慮加權(quán)的時候，非活動連接過多缺陷：當權(quán)限過大的時候，會導致空閑服務(wù)器一直處于無連接狀態(tài)。

④NQ永不排隊/最少隊列調(diào)度（Never Queue Scheduling NQ） 無需隊列。如果有臺 realserver的連接數(shù)＝0就直接分配過去，不需要再進行sed運算，保證不會有一個主機很空閑。在SED基礎(chǔ)上無論+幾，第二次一定給下一個，保證不會有一個主機不會很空閑著，不考慮非活動連接，才用NQ，SED要考慮活動狀態(tài)連接，對于DNS的UDP不需要考慮非活動連接，而httpd的處于保持狀態(tài)的服務(wù)就需要考慮非活動連接給服務(wù)器的壓力。

⑤ LBLC：基于局部性的最少鏈接（locality-Based Least Connections） 基于局部性的最少鏈接”調(diào)度算法是針對目標IP地址的負載均衡，目前主要用于Cache集群系統(tǒng)?該算法根據(jù)請求的目標IP地址找出該目標IP地址最近使用的服務(wù)器，若該服務(wù)器是可用的且沒有超載，將請求發(fā)送到該服務(wù)器;若服務(wù)器不存在，或者該服務(wù)器超載且有服務(wù)器處于一半的工作負載，則用“最少鏈接”的原則選出一個可用的服務(wù)器，將請求發(fā)送到該服務(wù)器?

⑥ LBLCR：帶復制的基于局部性最少連接（Locality-Based Least Connections with Replication） 帶復制的基于局部性最少鏈接”調(diào)度算法也是針對目標IP地址的負載均衡，目前主要用于Cache集群系統(tǒng)?它與LBLC算法的不同之處是它要維護從一個目標IP地址到一組服務(wù)器的映射，而LBLC算法維護從一個目標IP地址到一臺服務(wù)器的映射?該算法根據(jù)請求的目標IP地址找出該目標IP地址對應(yīng)的服務(wù)器組，按”最小連接”原則從服務(wù)器組中選出一臺服務(wù)器，若服務(wù)器沒有超載，將請求發(fā)送到該服務(wù)器；若服務(wù)器超載，則按“最小連接”原則從這個集群中選出一臺服務(wù)器，將該服務(wù)器加入到服務(wù)器組中，將請求發(fā)送到該服務(wù)器?同時，當該服務(wù)器組有一段時間沒有被修改，將最忙的服務(wù)器從服務(wù)器組中刪除，以降低復制的程度。

審核編輯：劉清